Bioenergetica

BIOENERGÉTICA

Energía es la capacidad para realizar un trabajo, la bioenergética es el estudio de los cambios energéticos de las sustancias cuando reaccionan en el organismo.

La energía que utiliza nuestro organismo, proviene de los alimentos, particularmente de los nutrientes energéticos que son los carbohidratos (4,1 Kcal/g), los lípidos (9,3 Kcal/g) y de las proteínas (4,1 Kcal/g) aunque esta última más bien es utilizada para otras funciones distintas a las energéticas en el organismo.

Toda la energía que contienen los alimentos proviene del sol, luego las plantas pueden realizar la fotosíntesis y utilizan esta energía solar que en presencia de CO2 y agua produce las moléculas orgánicas. Estas sustancias orgánicas (lípidos, carbohidratos y proteínas) en nuestro organismo y en presencia de O2, mediante el metabolismo aerobio liberan la energía para sintetizar ATP, además se regenera el CO2 y el agua.

El metabolismo es la transformación que a nivel molecular ocurre en el organismo, estas reacciones químicas favorecen las condiciones para que las células y los tejidos ejerzan su función.

Con el metabolismo de las sustancias se pueden lograr tres grandes objetivos:

• Obtener sustancias de bajo peso molecular, que cumplen funciones indispensables en las células, por ejemplo: a partir de la glucosa es posible que en el hígado se sintetice alanina o citrato.

• Transformar la energía química almacenada en los nutrientes energéticos de los alimentos, para la síntesis de ATP, el cual podrá ser utilizado en la bomba Na+/K+, para el bombeo sanguíneo por el corazón, la contracción muscular y la síntesis de proteínas.

• Sintetizar moléculas de alto peso molecular: las proteínas, los fosfolípidos, que van a formar parte de las membranas celulares y en general de toda el organismo.

Cuando las transformaciones de las moléculas no se realizan en la extensión apropiada, es muy probable que la célula pierda la capacidad para realizar su función, lo que puede conducir a que se presenten síntomas característicos de una enfermedad. No obstante, en los temas finales de bioquímica veremos que también existen mecanismos para modular ( activar o inhibir) el metabolismo según las condiciones fisiológicas del organismo, por ejemplo, cuando corremos se activan en el músculo algunas vías metabólicas en los primeros segundos de la carrera y otras cuando estamos en reposo.

En bioquímica estudiaremos principalmente el metabolismo de las moléculas que ya conocemos: Los aminoácidos y las proteínas, los carbohidratos, los lípidos, los nucleótidos y los ácidos nucleicos y es necesario que el estudiante en su estudio, ordene los contenidos para que domine los siguientes aspectos de cada metabolismo:

• Las células y el compartimiento celular involucrado en cada metabolismo

• Los sustratos y productos de cada vía metabólica

• Las sustancias intermediarias de cada vía metabólica

• El nombre de las enzimas más relevantes, involucradas en las transformaciones

• Dependiendo de cada caso: los requerimientos energéticos o la cantidad de energía que se libera en el metabolismo

Para comprender íntegramente estos aspectos, debemos conocer algunas definiciones :

Primero conoceremos una clasificación muy útil del metabolismo, considerando si un proceso requiere o libera energía. Esta clasificación es la siguiente:

VÍAS ANABÓLICAS son las vías que requiren de energía e incluyen la síntesis de las macromoléculas, como son la síntesis de las proteínas y de los ácidos nucleicos .

VÍAS CATABÓLICAS son las vías que liberan energía y por lo general son procesos que incluyen reacciones de oxidación de sustancias orgánicas, como por ejemplo, de la glucosa y de los lípidos. Estas reacciones se caracterizan porque liberan energía, la cual es aprovechada para formar o sintetizar sustancias importantes y también para mantener la temperatura corporal, cuando se libera en forma de calor.

Lectura complementaria, contenidos no obligatorios

La energía liberada de la combustión de los lípidos, las proteínas y los carbohidratos de los alimentos se puede medir directamente empleando una bomba calorimétrica. Los carbohidratos liberan 4,1 Kcal/g, los lípidos 9,3 Kcal/g y las proteínas 5,3 Kcal/g , estos valores son semejantes a los que se obtienen en el organismo , excepto para las proteínas; ya que, los productos metabólicos finales son la urea ( H2N-CO-NH2 ) , CO2 y H2O y no el NO, CO2 y H2O que se forman en la bomba calorimétrica, de allí que su valor calórico en el organismo es de 4,1 Kcal/g. Con esta información podemos conocer el aporte calórico de una ración alimenticia. Por otra parte, el gasto de energía en los procesos vitales para una persona adulta de 70 Kg es de aprox. 1800 Kcal/día, la cual se utiliza para mantener las concentraciones adecuadas de iones intracelular mediante el transporte activo a través de la membrana celular, para el intercambio de O2 - CO2 en el proceso de respiración, para el trabajo que realiza el corazón al bombear la sangre, para el mantenimiento de la temperatura corporal.

A partir de los componentes energéticos de los alimentos, las reacciones de oxidación son las que liberan la mayor cantidad de energía por mol de sustrato en comparación con las demás reacciones que pueden ocurrir en condiciones fisiológicas - temperatura de 37°C, pH = 7,4 y a la concentración en que los sustratos se encuentran en el organismo - . Por eso, mas adelante vamos a definir los conceptos relacionados con la oxidación, para luego establecer como se transfiere esta energía para cubrir el gasto energético del organismo.

VÍAS ANFIBÓLICAS son las vías que participan en el catabolismo y a la vez en las vías anabólicas, por lo general actúan como enlace entre las vías anabólicas y catabólicas, un ejemplo es el ciclo de Krebs, ya que recibe el acetilCoA un componente de la oxidación de la glucosa, y a la vez aporta el oxalacetato, un sustrato para la síntesis del aminoácido aspartato.

GLUCOSA

Vía catabólica:

Glucólisis

NADH

ATP

Vía anabólica: PIRUVATO PIRUVATO

Síntesis de proteína

PIRUVATO MEMBRANA MITOCONDRIAL

Aspartato AcetilCoA

Oxalacetato

NADH Ciclo de

Vía anfibólica FADH2 Krebs CO2 + NADH

Ciclo de Krebs CO2 + NADH

GTP

Figura 1.- Ejemplo de vía catabólica, anabólica y anfibólica.

No se incluye el balance o cantidad de los diferentes metabolitos

Químicamente, LA OXIDACIÓN se refiere a la pérdida de electrones ( e- ) y la reducción a la ganancia de e- por iones, moléculas o átomos, de las cuales sólo algunas reacciones tienen lugar con participación del O2 y las oxidaciones biológicas ocurren en su mayoría en sustancias orgánicas derivadas de los componentes energéticos de los alimentos.

OXIDACIÓN Fe2+ Fe3+ + e

REDUCCIÓN O2 + e O2• (ión superóxido)

En los organismos vivos la oxidación y la reducción están acopladas y ambos ocurren simultaneamente, por lo que, es igual el término: reacciones de oxido-reducción o reacciones redox. Como en la célula viva la mayoría de las transformaciones ocurren de forma controlada, la mayor parte de éstas se realizan con participación de enzimas que son los biocatalizadores y aceleran la velocidad de la reacción hasta alcanzar el equilibrio, además, sabemos pueden ser reguladas por moduladores externos lo cual le confiere la propiedad de ser un sitio importante del control del metabolismo celular. Estas enzimas han sido clasificadas como de la clase I u oxido-reductasas y se dividen en cuatro subclases, según la característica de la sustancia aceptora o dadora de e- :

1.1.- Oxidasas

1.2.- Deshidrogenasas

1.3.- Peroxidasas ( no es importante desde el punto de vista energético)

1.4.- Oxigenasas ( no es importante desde el punto de vista energético)

Las dos primeras subclases son las más importantes desde el punto de vista energético, porque la energía útil liberada en sus reacciones permite acoplar en forma directa la síntesis de ATP

ADP + Pi ------> ATP

o en forma indirecta a través de intermediarios como el NADH + H+

Las oxidasas emplean al O2 como aceptor de los e- , para formar H2O ó H2O2, por ejemplo la citocromo oxidasa una enzima que cataliza la reacción final de la cadena respiratoria ( cadena de transporte de electrones) ubicada en la membrana mitocondrial externa, donde el átomo de Fe++ del grupo hem y el Cu+ del citocromo a3 transfieren los e- al O2 para formar H2O, pasando por el intermediario (O2•). Desde el punto de vista energético esta reacción es importante como veremos en el tema denominado CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES.

O2 Cu+ del citocromo a3

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